第3章传热学有源强化
传热学-第三章
（3）
Bi
hl
h
V A
0.1M
2021/5/9
2. 集中参数法
0
t t t0 t
exp
hA
cV
exp( )
c 12
exp(Bi Fo)
2021/5/9
厨师吹肉丝
一厨师在炒鸡肉丝时要品尝一下咸淡，于是他从100℃的 热炒锅中取出一鸡肉丝，用口吹了一会，待其降至65℃时 再放入口中。试估算厨师需要吹多长时间？出锅时鸡肉丝 可视为平均直径为2mm的圆条，厨师口中吹出的气流温度 为30℃，其与鸡肉丝之间的表面传热系数为100W/(m2·K)。
27
（1）建立物理模型 ( Physical Model ) （2）建立数学模型( Mathematical Model )
2021/5/9
c t
x
t x
y
t y
z
t
•
z
非稳态项
扩散项
内热源项
令为常数
c t
2t x 2
t
c
2t x 2
a 2t x 2
2
a x2
2021/5/9
第三章 非稳态导热 Unsteady-State Conduction
主要内容： 非稳态导热过程中温度场的变化规律及换热量的分析求
解方法。包括： 1. 非稳态导热的集中参数分析法； Lumped-heat-capacity method of unsteady-state conduction 2. 一维非稳态导热的分析解法； Analytical solution of one-dimensional transient conduction
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第三章
思考题
1. 试说明集中参数法的物理概念及数学处理的特点
答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数，
数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?
答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hA cv
c ρτ=,形状
上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题
答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略
不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。如薄板两侧均匀加热或冷却、
炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。
4.什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物
理过程及数学处理上都有些什么特点?
答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍
随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(δ/x)和边界条件(Bi数)
的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。
5.有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算
所得的结果是错误的.理由是：这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。你是否同意这种看法,说明你的理由。
传热学第三章答案
第三章
思考题
1. 试说明集中参数法的物理概念及数学处理的特点
答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数，
数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?
答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hA cv
c ρτ=,形状
上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二
个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题
答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度
远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略
不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板
面方向流动。如薄板两侧均匀加热或冷却、
炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大
平板处理。
4.什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有些
什么特点?
答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温
度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍
随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，
只是几何位置( /x)和边界条件(Bi数)
的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称
为正规状况阶段或充分发展阶段。这一阶段的数
学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数
的首项进行计算。
5. 有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是： 这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi 有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。你是否同意这种看法,说明你的理由。
传热学第三章
4τs时导 热体已达到热平衡状态
11/26/2011
25
4 瞬态热流量
Φ = hA(t − t∞ ) = hA(t0 − t∞ ) exp(− BiV FoV )
内传给流体的总热量： 导热体在时间 0~ τ 内传给流体的总热量：
hA Qτ = ∫ Φdτ = (t0 − t∞ ) ∫ h A exp − ρcV τ dτ 0 0
第三章 非稳态导热
§3-1 非稳态导热过程 §3-2 集总参数法 §3-3 一维非稳态导热的分析解
11/26/2011
1
非稳态导热 (Unsteady Heat Conduction)
定义： 定义：导热系统内温度场随时间变化的导热过 程为非稳态导热。 程为非稳态导热。 特点：温度随时间变化，热流也随时间变化。 特点：温度随时间变化，热流也随时间变化。 自然界和工程上许多导热过程为非稳态: 自然界和工程上许多导热过程为非稳态 t = f(τ) 例如：冶金、 例如：冶金、热处理与热加工中工件被加热或 冷却；锅炉、内燃机等装置起动、停机、 冷却；锅炉、内燃机等装置起动、停机、变工 自然环境温度； 况；自然环境温度；供暖或停暖过程中墙内与 室内空气温度
hA
豫时间。 豫时间。
如果导热体的热容量（ ρVc ）小、换 如果导热体的热容量（ 热条件好（ 大），那么单位时间所 热条件好（hA大），那么单位时间所 传递的热量大、导热体的温度变化快， 传递的热量大、导热体的温度变化快， 时间常数 ( ρVc / h A) 小
传热学-第三章
解：因两边对称，只研究半块平壁
平板非稳态导热微分方程：
t
2t c x2
2t y 2
2t z2
c
导热微分方程
t
a
2t x2
(0 x , 0)
初始条件
t t0 0
30 1200
解得 =329s=0.091h
§3-3 典型一维物体非稳态导热的分析解
1. 无限大平板的分析解
已 知 ： 厚 度 为 2 的 无 限 大 平 板 ， 初温为t0，初始瞬间将其放 于 温 度 为 t∞ 的 流 体 中 ， 而 且t0>t∞，流体与板面间的 表面传热系数h为一常数。
(4) 无量纲数的简要介绍 基本思想：当所研究的问题非常复杂，涉及到的参数很多， 为了减少问题所涉及的参数，将一些参数组合起来，使之 能表征一类物理现象，或物理过程的主要特征，并且没有 量纲。
因此，这样的无量纲数又被称为特征数，或者准则数， 比如，毕渥数又称毕渥准则。以后会陆续遇到许多类似的 准则数。特征数涉及到的几何尺度称为特征长度，一般用 符号 l 表示。
Biv
h(V
A)
h
4
d
2l
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施
间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。但管壁导热热阻较小，对传热影响不大.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中影响较大的有以下几方面。
1)流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。流体有相变的传热过程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。2)流体的特性:对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度以及体积膨胀系数。对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦不同。3)流体的流动状态:由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层流状态，对流传热系数较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系数大。4)流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对流和强制对流。强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至几十倍。5)传热面的形状、位置和大小:传热面的形状(如管、板、环隙、翅片等)、传热面方位和布置(水平或垂直放置，管束的排列方式等)及管道尺寸(如管径和管长等)都直接影响对流传热系数。6)流体的温度:流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。此外，由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子排列情况等有关。
此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低其对传热效果的影响。
工程热力学与传热学第三章
所以
dh cp dT (3 10)
式(3-10)是计算理想气体焓的一般关系式。
理想气体的内能、焓、熵的一般计算式
cv和cp是工程计算中常采用的两种比热容，由焓的定 义式h＝u＋pv，对于理想气体可写为h＝u＋Rt，所以
dh du R dT dT
将式(3-9)、式(3-10)代入上式，则得 cp cv R [kJ / (kg K )] 若以摩尔作为物量单位，则
1 R [kJ / (kmol K )] k 1 k cp R [kJ / (kmol K )] k 1 cv (3 13) (3 14)
理想气体的内能、焓、熵的一般计算式
理想气体熵的变化量可由熵的定义式及热力学第一 定律能量方程式导出。按照可逆过程中熵变化的定义 式ds＝δq/t以及热力学第一定律解析式δq＝du＋pdv，就 可得到理想气体熵的变化为
应用比热容计算热量的方法
气体由 t1 升高到 t2 所需的单位质量热量，按式 (3-3) 积分得 t2 q cdt 面积ABCDA
t1
以 cd 边为底作矩形 cdef ，使其面积与面积 abcda 相 等，则此矩形的高度即为该温度范围内的平均比热 ,于 是可得
q cm
t2 t1
(t2 tБайду номын сангаас )
g
(2)用平均比热容(直线式)计算。 查表3-2，空气的定压容积比热容为
武汉大学 《化学工程基础》第3章传热
黑体的辐射能力E0与绝对温度的四次方成正比。
T E 0 0T C 0 100
4
4
3- 3
实际Biblioteka Baidu体间的辐射能力
T E E 0 C 0 100
4
一般物体温度低于400-673K时，可忽略辐射 传热的影响。在化工热交换计算中，一般都不考 虑辐射传热。
强化传热的途经 所谓强化传热的途径，就是要想法提高传热速率ф。
提高K，A，ΔTm中的任何一个，都可以传热强化。
K i Ai Tm
di d i di 1 其中： K i i d1 d m i d i T2 T1 Tm T2 ln T1
第六节
度不够，一般多为0.1-2mm，多用于薄层加热。
本章小结
传热方式
传热计算
传热设备
从结构来看，有以下几种：夹套式换热器、蛇管
式换热器、套管式换热器等。
5-1 夹套式换热器
5-2 蛇管式换热器
5-3 套管式换热器
5-4 列管式换热器
5-9 各种间壁换热器的比较和强化传热的途径
各种换热器的比较 各种换热器的特点及外表均不相同，采用什么类
型的换热器应视具体情况，综合考虑。
n i i 1 i
总推动力 总热阻
式中：i——壁层的序数 n——壁的层数
传热学_第3章
a Bi , Fo 2 R hR
当Fo 0.2时，圆柱和球体的一维非稳态导热过程 也都进入正规状况阶段，分析解可近似地取无穷级数 的第一项。
19
平壁、圆柱和球体的近似结果可统一表示为
在0~ 时间内，物体放出的热量
Af 1 exp 0
V
r Fo , 或 R
1 V
1 1 dV 1 V V 0
V
dV 1 0 0 20
Q 1 Q0 0
是时刻 物体的平均过余温度
A exp
2 1
Fo B
21
1、 A、B、J0 ( x)、J1 ( x) 的数值可近似由下面各式计算
毕渥数的物理意义： h Bi 1 h
Bi为物体内部的导热热阻与边 界处的对流换热热阻之比。 2) 求解结果
6
x, 2sin n x Fo cos n e 0 n 1 n sin n cos n 解的函数形式为无穷级数，式中1、2、 、n是下面超 越方程的根 y y1 y2 cot
上式的几何意义：在整个非稳 态导热过程中平壁内过余温度 分布曲线在边界处的切线都通 O( / ,0) 点 , 即 O( / Bi,0) ，该点称为第 三类边界条件的定向点。
传热学讲义——第三章
第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)
物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。0≠τ
∂∂t
，任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。
根据物体内温度随时间而变化的特征不同，非稳态导热过程可分为两类：
（1）周期性导热（periodic unsteady conduction ）：物体的温度按照一定的周期发生变化； 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。
（2）瞬态导热(transient conduction)：物体的温度随时间不断升高或降低，在经历相当长时间后，物体的温度逐渐趋于周围介质的温度，最终达到热平衡。
分析非稳态导热的任务：找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。
第一节 非稳态导热的基本概念
一、瞬态导热过程
采暖房屋外墙墙内温度变化过程。
采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的。
采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。
墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变。
采暖设备开始供热：刚开始供热时，由于室内空气温度很快升高并稳定，内墙温度的升高相对慢些，内墙表面热流密度最大；随着内墙温度的升高，内墙表面热流密度逐渐减小；随着外墙表面的缓慢升高，外墙表面热流密度逐渐增大；最终二者相等。
上述非稳态导热过程，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。
（1）第一阶段（右侧面不参与换热）
是过程开始的一段时间，特点是：物体中的一部分温度已经发生变化，而另一部分仍维持初始状态时的温度分布（未受到界面温度变化的影响），温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，物体内各处温度随时间的变化率是不一样的，即：在此阶段物体温度分布受
强化传热技术
冷凝传热强化
传热系数:珠状冷凝＞＞膜状冷凝
滴状冷凝:冷凝液不能润湿壁面，只能在壁面上形成液珠。 液珠长大后，受重力的作用不断地携带着沿途的其他液珠 沿壁面流下。与此同时，新的液珠又会在原来的途径上重 新复生。
实现滴状冷凝的途径有： 在金属表面涂上憎水基有 机化合物涂层；金属硫化 物涂层；贵金属涂层；高 分子聚合物涂层；往蒸汽 中注入不润湿性介质等。
Pr
1/ 3
外掠平板
1/ 3
圆管中流动
Nu C Re
m
横掠管束
对流换热及其强化
通过平壁的传热
K
1 1 h1 h2
1
在 h1 h2 时，当增大 h1 ， K值增加很快，直至变成 等于h2 ； 在 h1 h2 时，当增大 h1 ， K值增加的速度很慢，进 一步增加 h1 ，K值几乎不 变。
• 这种强化技术主要用于单相流体管内强制对流换热,使
Baidu Nhomakorabea
管内流体发生旋转运动。流体发生旋转可使贴近壁面 的流体速度增加,同时还改变了流体的流动结构,加速了 边界层流体的拢动及边界层流体和主流流体的混合,强 化传热过程。 • 在实际应用中,能使流体旋转且在工艺上可行的方 法有:在管内插入各种可使流体旋转的插入物,诸如扭带 、错开扭带、静态混合器、螺旋片及金属线圈等;在换 热管内壁上开设内螺纹;采用滚压成型的螺旋槽管及内 肋管等。美国在这方面的研究处于领先地位。
第三章传热学
3.稳态导热
3.1 知识结构
1．一维导热问题（平壁、圆桶壁、球壁）分析解（导热公式、热阻形式）；2．温度分布与导热系数和热流的关系；
3．变导热系数及变截面问题的解题方法及其对温度分布的影响；
4．伸展体导热的微元段分析（一维假设条件、微分方程及系数m的组成）；5．三种细长杆（无限高、有限高端部散热、有限高端部绝热）的边界条件、分析解、散热量计算公式，工程计算中的简化方法；
6．系数m对温度分布的影响⇒杆内热应力的影响；
7．肋片与肋效率（定义、肋效率的影响因素、等截面直肋的肋效率公式）；8．接触热阻及其治理方法；
9．具有内热源的导热及多维导热。
3.2 重点内容剖析
3.2.1 典型稳态导热问题分析解
稳态导热问题的主要特征是物体中各点温度不随时间发生变化，只是空间坐标的函数，热流也具有同样性质。温度在空间坐标上的分布决定导热问题的维数，同样的问题选择不同的坐标系会有不同的维数，维数越多问题越复杂，所以应对具体问题具体分析，从主要因数着手，忽略次要因数，进行适当简化。
一.无限大平壁的分析解（如图3-1）
厚度方向传递，亦即温度只在厚度方向变化，
→一维导热问题）
1.问题
（1）均质、单层无限大平壁（一维常
物性）
（2）无内热源稳态导热
（3）平壁两面保持均匀而一定的温度，
且t w1>t w2
（4）求解平壁内的温度分布t（x）和通
过平壁的热流密度。
2.描述问题的数学表达式：
微分方程（一维稳态）
02
222==∂∂dx t
d x t （3-1） 定解条件：（稳态——无初始条件） 边界条件（第一类）：
2
1,,0w w t t x t t x ====δ （3-2）
传热学-第三章(3-1)
§3-2 集总参数法的简化分析
Bi
r d dh rh 1 h
1.定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀 一致的分析方法。此时 Bi 0 ，温度分布只与时 间有关，即 t f ( ) ，与空间位置无关，因此，也称 为零维问题。 Bi 0 有以下几种情况： d 由 ，当δ很小或λ很大，或是对流换热系数h 极小，物体导热性能良好。 2.温度分布 如图所示，任意形状的物体，参数 均为已知。 0时，t t0 将其突然置于温度恒为 t 的流体中。
对半径为 R的球：
1 M 3
4 3 R V R 3 2 A 4R 3
Bi Biv 3
例：用热电偶测量气罐中气体的温度。热电偶的初 始温度为20℃，与气体的表面传热系数为 10W / m2 K 热电偶近似球形，直径为0.2mm，试计算插入10 s后， 热电偶的过余温度为初始温度的百分之几？要使温 度计过余温度不大于初始过余温度的1％，至少需要 67W / m K 多少时间？已知热电偶焊锡丝的
Φ为广义热源，等于边界上交换的热量
hA(t - t ) - V
带入微分方程，有
dt hA(t - t ) - Vc d
令： t - t — 过余温度 ，则有
hA - Vc d d ( 0) t - t 0 0
强化传热原理
（4）横向绕流圆管
（5）横向绕流管束 顺列和叉列
第三章 管内单相流体对流换热的 强化
一、单相流体管内对流换热概述
影响因素: 自然对流、强制对流 层流、紊流、过度区域（流动雷诺数） 入口段、稳定段
– 管内换热强化的方法
原则上分两大类： 第一类为增加管子内侧的换热面积； 第二类是使管内换热系数提高。
增强对流换热系数α是关键
原理
（1）减薄温度边界层 （2）增加边界层内的扰动 强化对流换热的新概念，既流线和等温
线的夹角可以强化传热。
强化单相介质对流换热
（1）采用提高工质流速
（2）使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的旋涡死滞区
（2）增加流体的扰动和混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、 改变换热面表面状况等。例如采用粗糙表面（螺纹管、螺旋槽管、 波形板 ），扩展表面 （翅片管、内肋管 ），旋涡发生器 （扭带、 螺旋线圈、导流叶片 ）
增加平均传热温差的方法有两种 （1）冷热流体的进口和出口温度一定时，
利用不同的换热面布置来改变平均传热 温差。 （2）扩大冷、热流体进出口温度的差别 以增大平均传热温差 受工艺条件限制，其应用范围非常有限
2、扩大换热面积以强化传热
（1）采用小直径管子 （2）采用各种肋片管、螺纹管等扩展表
综合评价的方法有三种类型： ⑴相同的换热面积和泵功时，强化管与
第三章传热学1-热传导1
传递过程
动量传递 能量传递 质量传递
流体力学 传热学 传质学
应用领域：各种工业窑炉及换热设备的设计；
核能、火箭等尖端技术； 太阳能、地热能和工业余热利用； 农业、生物、地质、气象等部门。
主要传热问题：一类是求解局部或者平均的传热速率的大小； 另一类求解研究对象内部的温度分布。
1
• 传导传热 • 对流换热 • 热辐射 • 传热过程与换热器
1 0
2
t
3
t t0 0
2 1
t t0 1 0
2 1
-x o x
BBii
-x o x
Bi0有Bi 限大小
-x o x
BBii0 0
与外界条
同时受内部、外
与内部条
件无关
界条件影响
件无关
28
集总参数法分析求解
1 定义：忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致分析方法。
解：
S1
A1
3 2.8 0.24
35m
S2
A2
4 2.8 0.24
46.67m
S3 0.54l 0.54 2.8 1.512m
Q 2S1 2S2 4S3 kt 2185.10W
25
3.2.5 非稳态导热
非稳态导热基本概念 瞬态导热：物体的温度随时间的推移逐渐趋近于恒定的值 周期性导热：物体的温度随时间周期性变化 物体的温度变化过程：
强化传热3
结语
∗ 场协同原理不仅能统一地认识现有对流换热和传热 强化现象的物理本质,而且它还能指导发展新的传热 强化技术。以此可指导发展一些强化对流换热的新 方法,开发新的强化换热设备，比如说，电磁强化传 热。
。
2.对交叉缩放椭圆管进行了实验研究。交叉缩 放椭圆管管内截面交叉变化诱导产生强烈的二 次流和纵向涡流,改善了速度场与温度场之间的 协同关系。实验结果表明,交叉缩放椭圆管管内 的流动在Re ≥500 即表现为湍流,换热强化效果 显著。
3.开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进 行了实验研究,在实验的Re 范围内得出了传热和 阻力的性能关联式及特性曲线。实验结果表明, 开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与中一向 开缝翅片相比, 双向开缝翅片的性能更好。开缝 翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善 了速度和温度梯度的协同性。
场协同理论表述
∗ 对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性以及 流体与固壁的温差，而且还取决于流体速度场与流 体热流场间协同的程度。在相同的速度和温度边界 条件下，它们的协同程度愈好，换热强度愈高。
数学表述
∗ 以二维稳态为例， 二维层流边界层的能量方程是
对上述方程进行无量纲积分
其中的, ρ,cp和K分别为流体的密度、比热和导热系 数、T 是温度, u 和v 是速度.
场协同理论简介
Байду номын сангаас
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能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
平板与液体之 间的电位差 中国 南京
• 热流密度的简化式：
π qcr g g 24
蒸气的 介电常 数-密度
1/ 2
V
hfg
蒸气 膜的 厚度
液体的汽 化潜热
能源与环境学院
强化传热技术
2016/10/14
汽油在加热平板上的热流密度/换热系数 • 临界热 流密度 q和换 热系数 α都随 着电场 强度E 增强而 增大。
• 代入得
2 Nu 1 - Re w Pr Nu由第一本征值λ1、流体Pr和透过多孔管壁 的流体Rew所决定。
强化传热技术
2016/10/14
能源与环境学院
中国 南京
• • • •
fRe-Rew [73]计算曲线， [69]理论解析结果 有吸出时，阻力 系数随着吸出量 增大而迅速下降； • 喷入时，阻力系 数随着喷入量增 大而缓慢增大。
套管式换热器
Ap V0 w 1 2π f R cos(2π f t ) 能源与环境学院 A V0 强化传热技术
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• 令f0为流体最大脉动流量与V0相等时的脉动频率：
• 管内流速 • 换热强化比
V0 f0 2πAp R
• 换热强化比 的时间平均值 其中
• x处Re数 Re Re1 (1- 41 x ) • x处平均Nu数
n Nu C Re1
x 0
Nu
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qm dx
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π D x T
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Nu0为无吸出的Nu值 • 换热强化比随β 增大而 增大，壁温则降低； • Re1越大，质量吸出的 强化效果就越显著。 • 当多孔管出口堵死时， 流量只能从管壁透过。 • 当从104增加到105时， 管子中部的换热强化比 由4增为8。
• Nusselt (1916)竖直平 1/ 4 3 - g g hfg 板上的凝结模型及平 0.923 Nu L Ts - Tw 均换热系数计算公式 • 将凝结平板接地，在 附近平行地设置一个 2 E2 与高压电源相接的电 1 1 L EL g g p L - pg 极板，当电压增加到 2 2 rL rK 一定程度时，液膜溅 出液滴而使液膜变薄，在35kV电压下，氟利昂-113 凝结换热系数可增加3 的凝结换热可增加2.4倍，而 倍。 二乙醚却增加9倍。
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3.2.3.2电磁场对沸腾的影响
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• 浸泡在液体中的加热面温度超过液体的沸点时，产 生汽泡，并长大，当浮升力和周围液体运动给予汽 泡的力超过汽泡重力和表面张力时，气泡就脱离壁 面而上升。 • 汽泡脱离半径r0与它的边界角θ成正比：
r0 b
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较优方案： • 有电场时 α和q都增大； • 缝短适合大q； 但低q时缝长α大 • 竖缝可达较大q； 但低q时横缝α大
无电场
能源与环境学院 有电场
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3.2.3.3电磁场对凝结换热的影响
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f w w0 1 cos(2π f t ) f0 0.8 f 1 cos(2π f t ) 0 f0 0.8 1/ F E F 0 1 F cos(2πFz) dz
F f/f 0 , z f 0t
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经过多孔壁有质量吸出时的管内湍流换热
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Nu F ( Re, Pr, , x/D) v/u • 速度比
径向分速
轴向分速
• 管子进口处的流量
G1 u1π D /4
2
• 离管子进口x处已吸出的流量
• x处已吸出的流量与进口流量之比 • 推导整理可得：
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• 有质量吸出时， 速度剖面变瘦； 但温度剖面变胖。 • 有质量喷入时温 度剖面变瘦。
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• 不同Pr数时管 内层流换热系 数： • 有吸出时,Nu数 随吸出量增大 而迅速增大； 且Pr越大越明 显。 • 有喷入时, Nu 数随喷入量增 大而逐渐减小； 且Pr越大越明 显。
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•单管Rev<1000时，未发现振动对传热有明显影响； 中国 南京 •当Rev=1000~2200时，且在β>70° 区域有较明显的增强；在 4的无振动时换热系数沿圆管外表面的周向 •° R e>10 90 ~120 °范围换热系数平均增大 19%，但在0°~90°平均只 分布：圆周角 β<90°时，层流边界层逐渐增厚， 增加 5.5%。 β =90 °~120°范围内形成湍流边界层，而在 增 •在R e v≥8000后，在90°~150°区域增加最大；前部和后部换热 大 β >120 °后产生流动脱离区。 强度都增加很少。 0°~90°平均值增大10%， 90°~180°平 均值增大44%。 增 大 Tu=12%, Rev=4000
强化传热技术 二乙醚,7mm,310kPa,70℃
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与无电场的情况一样，清 除不凝结气体也十分重要 • Ucr为电场对凝结换热开始发 生作用的临界电压 • 有三区：
– U/Ucr<2.3为过渡区，表面张力 和液体粘性对电场有一定压抑 作用，最大2倍。 – U/Ucr=2.3~4.6为基本强化区， 基本上由电力场和重力场所控 制，斜率最大。 – U/Ucr＞4.6为缓和区，斜率有 下降趋势，横向电场力的进一 步增加已经对凝结膜在重力作 用下的降落产生一定阻碍。
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有效区域
可能无效区域
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3.2.2传热面振动
场协同观点是夹角很小中国 南京
• 直接破坏边界层而获得传热的增强。 • 换热器中细长的传热管束和核反应堆中的释热元 件在流体运动时会产生振动，它既增强了传热过 程，又常常导致管子断裂。 • 研究和控制以便利用其增强传热的因素而又预防 其破坏作用。 • 人工产生传热面振动通常用电力振动器或机械传 动偏心装置实现。振幅为a，频率为f，一般小于 1000Hz。两者的乘积为振动强度fa ，传热面的振 动速度为wv=2πfa ，振动雷诺数Rev =wvd/ν
b为拉普拉斯常数
2 b g σ为表面张力，Δ ρ
为流体与汽泡的密度差
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• 在电磁场作用下汽泡被拉长，不仅增大汽泡的表面 积，而且使边界角θ随之减小，导致脱离半径r0减 小。汽泡成长速度加快，增大脱离频率，从而提高 从泡核沸腾向膜态沸腾过渡的临界热流密度，对于 增强低沸点介质的沸腾换热具有非常重要的意义。
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电导率：(Ωm)-1 • n-己烷:2.2×10-3 • 二乙醚:3×10-8 • 氟利昂-113: 2.05 ×10-11 • 电极板与凝结板 最佳距离7mm, • 液体电导率为10-8 ~10-11时效果最佳。
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随 电 压 升 而 增
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搅拌的作用：
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• 几种流体混合； • 输入热量或取出反应热； • 保证物料的浓度和温度尽量均匀； • 高粘度流体与加热器或冷却器的传热； • 减少壁面上沉淀或结渣。
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3.1.1搅拌釜形状和分类
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3.2 流体脉动和传热面振动时的对流换热 • 采用人工方法使流体 发生脉动或传热面振 动有可能引起传热的 增强。 流量V0 • 目前的缺陷：
– 传热增强不大 – 功率消耗不小
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3.2.1管内脉动
中心管截面积A
频率f
活塞Ap
V V0 2π f Ap R cos(2π f t )
• 圆筒形，筒壁有夹套换热器，筒高约为直 径的1~1.5倍；搅拌叶轮在液体高度的1/3处。 • 低粘度搅拌器有
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• 高粘度搅拌器有
• 对于容易与 壁面粘结的 液体，可以 在叶轮外侧 装设刮面器， 以便将液膜、 沉淀或结垢 层刮去。
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经过多孔壁有质量流过时的管内层流换热
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• 热平衡式 •得
R dTb - qw u cp cp v0 Tb - Tw 2 dx qw D Nu Tb - Tw
Re Pr R dTb - Re w Pr 2Tb - Tw dx
0
• 如以Tf=40℃, q=47kW/m2代入,取Re=300, 得 α/α0=2.47。 • 高频加热比工频加热的管内对流换热系数 高出一倍以上。
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• 流体中掺加磁铁粉可在Re数较大时磁场仍能强化对流换热。 • 气流掺入磁铁粉，在磁场作用下形成不规则针状肋，传热与阻 力都增大。β 为体积含量。
2 T E w T 2T t cp
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3.2.3.1电磁场中换热增强
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• 高频电场仅对层流换热有强化作用，而对 过渡区和湍流换热没有明显的增强作用。 • 层流区换热强化比也是随着Re数的增加而 急剧下降。 0.84Re -0.32 q 0.15Tf0.35
第三章 对流换热的有源强化
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• 有源强化技术除了需要通常的传热介质唧送 设备外，还需要外加的机械能、电磁能或其 它动力，以便使流体产生旋转、振动或扰动。 3.1利用机械搅动加强流体与壁面间的传热 • 搅拌釜是有源强化技术中应用最广泛的一种 工艺设备。 • 化工、食品、制药、制蜡和颜料等行业
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3.2.4 多孔壁有质量透过时的壁面换热
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• 利用多孔壁面喷入或吸出流体以控制传热 或工艺过程的进行。如高温发动机壁面冷 却保护。 • 工程情形：
– 高温壁面的薄膜冷却或发散冷却； – 从传热壁面吸去边界层以增强传热； – 当壁面上发生液体蒸发或蒸汽凝结时经过多孔 壁喷入或吸出流体； – 在固体表面上发生化学反应
10% 60%
Tu=12%, Rev=0 Tu=2%, Rev=0 Tu为流体来 能源与环境学院 流湍流度
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3.2.3 电磁场作用下的对流换热
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• 1936年Senftleben首先发表了强电场作用下气体自然 对流换热的加强； • 其后Kronig-Ahsmann的实验证明绝缘介电液体也可 用强电场来增强对流换热系数。 • 电能消耗很小，尽管所需电压很高，电流仅几μA。 • 有一定发展前途。 • 在电场作用下的流体能量方程要加上电力对流换热 项： σ－流体的电导率
能源与环境学院 表观努谢尔数
v π Dx
x+
M1 41 x/D
Nu a Nu m - Re Pr(Tsw - Tb )/(Tw - Tb )
强化传热技术 吸出流体近壁处温度 实际努谢尔数
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• 由于
1 v v u u - 4 xv 1 - 41 x 1 D 1 u v/ u1 v/1
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2.1.2 叶片式
6个区 1. 液体从叶轮切向喷 射出去 2. 液体对筒壁冲击如 滞流 3. 筒体上部和下部角 区为位流 4. 旋转轴线的顶部和 底部也为位流 5. 筒体中心为自下而 上的圆形喷射流 6. 叶轮侧面的上下部 为两个不同高度的 环形死水区
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